權(quán)利要求

1.基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：在分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦基礎(chǔ)上，利用氣密材料(1)在金屬礦的礦體(12)邊界建設(shè)密封層封閉整個(gè)采空區(qū)，利用邊幫高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體(5)、人工假頂(6)或人工假底(7)以及采空區(qū)內(nèi)間隔充填的尾砂膠結(jié)充填體(4)支撐采空區(qū)整體框架，根據(jù)實(shí)地情況在采空區(qū)預(yù)留CO 2封存空區(qū)(2)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)(3)，碳封存初期利用管路向CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)充入CO 2，依靠礦體(12)邊界上的氣密材料(1)把CO 2密封在采空區(qū)內(nèi)，隨著空區(qū)內(nèi)封存的CO 2擴(kuò)散進(jìn)入尾砂膠結(jié)充填體(4)，與尾砂膠結(jié)充填體(4)中的基性尾砂和水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，消耗CO 2的同時(shí)生成高強(qiáng)度的碳酸鈣CaCO 3和具有膠凝作用的硅膠SiO 2·nH 2O，從而提高尾砂膠結(jié)充填體(4)整體強(qiáng)度和氣密性，降低尾砂膠結(jié)充填體(4)孔隙度，實(shí)現(xiàn)大量、長(zhǎng)期且安全的碳封存； 具體步驟如下： 步驟1.按回字形開采當(dāng)前分層礦體邊幫，利用氣密材料(1)封閉除聯(lián)絡(luò)巷外的邊幫，留采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷(10)以及分層聯(lián)絡(luò)巷(11)服務(wù)當(dāng)前開采的分層； 步驟2.用分層進(jìn)路充填法開采除邊幫外的內(nèi)部礦體(12)，若采用下向分層進(jìn)路充填采礦法開采礦體(12)，使用尾砂膠結(jié)充填體(4)間隔充填采空的進(jìn)路，預(yù)留出CO 2封存空區(qū)(2)，若采用上向分層進(jìn)路充填采礦法，則使用尾砂膠結(jié)充填體(4)和廢石間隔充填采空的進(jìn)路形成CO 2封存廢石充填區(qū)(3)； 步驟3.當(dāng)前分層作業(yè)結(jié)束后，在采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷(10)和分層聯(lián)絡(luò)巷(11)架設(shè)由CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)至分段運(yùn)輸巷(8)的CO 2管道(9)，然后使用氣密材料(1)封閉采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷(10)和分層聯(lián)絡(luò)巷(11)； 步驟4.按分層開采順序，逐層重復(fù)步驟1–3，直至當(dāng)前中段作業(yè)結(jié)束，將捕集的CO 2通過(guò)沿回風(fēng)路徑布置的CO 2管道注入CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)，同時(shí)開采作業(yè)轉(zhuǎn)移至下一中段，隨采深和地溫增大，CO 2以氣態(tài)至超臨界態(tài)長(zhǎng)期封存。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：開采過(guò)程中對(duì)礦體(12)中段、分段、分層的劃分，以及沿礦體深度方向的開采及充填順序與分層進(jìn)路充填采礦法完全一致；每分層的進(jìn)路劃分為圍巖和礦體邊界上的邊幫進(jìn)路和礦體內(nèi)部進(jìn)路，每分層進(jìn)路的作業(yè)方式為，按回字形順序開采及封閉邊幫進(jìn)路，依從由礦體兩幫進(jìn)路向礦體中間進(jìn)路逐漸推進(jìn)的原則開采及充填內(nèi)部進(jìn)路，若遇上需要預(yù)留CO 2封存空區(qū)(2)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)(3)的進(jìn)路，則先跳過(guò)該進(jìn)路，開采及充填下一條進(jìn)路，當(dāng)需要預(yù)留CO 2封存空區(qū)(2)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)(3)的進(jìn)路的兩側(cè)進(jìn)路均充填后，再開采該進(jìn)路，然后留空或者廢石充填形成CO 2封存空區(qū)(2)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)(3)。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于： 用氣密材料(1)封閉除聯(lián)絡(luò)巷外的邊幫的方法如下：對(duì)邊幫進(jìn)路靠圍巖側(cè)的外側(cè)采用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體(5)充填，邊幫進(jìn)路靠礦體的內(nèi)側(cè)采用氣密材料(1)充填，并在氣密材料(1)和內(nèi)部未開采礦塊間保留1/10邊幫進(jìn)路寬度作為崩礦沖擊的隔離空間，保護(hù)兩幫充填體和密封材料； 用氣密材料(1)封閉邊幫聯(lián)絡(luò)巷的方法如下：對(duì)分層聯(lián)絡(luò)巷(11)靠礦體側(cè)的內(nèi)側(cè)采用氣密材料(1)充填，對(duì)分層聯(lián)絡(luò)巷(11)靠圍巖側(cè)的外側(cè)用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體(5)充填，采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷(10)全部用尾砂膠結(jié)充填體(4)充填。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于： 礦體(12)頂部分層和底部分層需分別設(shè)置氣密性人工假頂(6)和氣密性人工假底(7)，當(dāng)選擇采用下向分層進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，需要在每個(gè)中段頂部設(shè)置氣密性人工假頂(6)，若選擇采用上向分層進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，需要在每個(gè)中段底部設(shè)置氣密性人工假底(7)，通過(guò)氣密性人工假頂(6)和氣密性人工假底(7)，結(jié)合邊幫氣密材料(1)及高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體(5)，形成以中段為單位的穩(wěn)定的碳封存單元結(jié)構(gòu)。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：捕集的CO 2來(lái)自礦企選冶廠，或電力、水泥、鋼鐵、化工四大排放源；捕集的CO 2通過(guò)設(shè)置在回風(fēng)井附近的地表CO 2泵站，經(jīng)管道沿回風(fēng)井、回風(fēng)巷接入分段運(yùn)輸巷(8)和采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷(10)交匯處的CO 2管道(9)，將CO 2注入空區(qū)(2)或廢石充填區(qū)(3)，避免CO 2管道(9)泄露污染鮮新風(fēng)流。 6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：CO 2管道(9)的CO 2輸送壓力控制在維持邊幫氣密材料(1)及高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體(5)穩(wěn)定、同時(shí)局部撕裂CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)周邊尾砂膠結(jié)充填體(4)的水平，其中，氣態(tài)CO 2壓力可低至1MPa以下，適合開采初期，礦體(12)埋深小于100m、地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度較低的采空區(qū)，隨著采深、地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度增大，可逐漸提高充入的CO 2壓力，當(dāng)采空區(qū)所在地層地溫大于31℃、采深大于800m，考慮以超臨界態(tài)封存CO 2。 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：在采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷(10)和分段運(yùn)輸巷(8)交匯點(diǎn)附近的CO 2管道(9)上設(shè)有CO 2壓力傳感器、氣密閥和法蘭接口；當(dāng)CO 2注入作業(yè)結(jié)束后，關(guān)閉氣密閥，松開法蘭接口，再用法蘭封閉接口堵住與CO 2封存區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)聯(lián)通的管道，將當(dāng)前分段運(yùn)輸巷上的CO 2管道回收在下一分段運(yùn)輸巷上重復(fù)利用，由地表CO 2泵站至當(dāng)前分段其余CO 2管道保持不動(dòng)，往下延伸至下一分段；CO 2壓力傳感器在封存期間監(jiān)測(cè)CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)內(nèi)的CO 2壓力變化。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：礦體邊幫附近的圍巖中每間隔一個(gè)分段高度距離設(shè)置一個(gè)CO 2濃度傳感器，用于CO 2泄露預(yù)警；若封存期間無(wú)明顯CO 2泄露，且檢測(cè)CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)的CO 2壓力傳感器讀數(shù)緩慢下降，則說(shuō)明CO 2與充填體發(fā)生礦化反應(yīng)，當(dāng)CO 2壓力降至設(shè)定壓力的75％，可利用氣密閥和法蘭接口，重新接入CO 2氣源，為CO 2封存空區(qū)(2)或CO 2封存廢石充填區(qū)(3)補(bǔ)壓。 9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于：尾砂膠結(jié)充填體(4)使用的尾砂膠結(jié)充填料漿包括礦山尾砂、波特蘭水泥或摻粉煤灰、鋼渣復(fù)合硅酸鹽水泥、水、添加劑，充填料漿濃度大于70％，3d強(qiáng)度大于1MPa；下向分層充填法中使用的尾砂膠結(jié)充填體(4)中灰砂質(zhì)量比大于1：6，28d強(qiáng)度大于3.5MPa；上向分層充填法的尾砂膠結(jié)充填體(4)中灰砂質(zhì)量比大于1：8，28d強(qiáng)度大于2MPa；充填邊幫進(jìn)路及分層聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)的高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體(5)中灰砂質(zhì)量比大于1：4，28d強(qiáng)度大于5MPa。 10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，其特征在于： 所述的氣密材料(1)包括氣密混凝土、瀝青基氣密充填料、礦用充填密閉材料； 所述的氣密性人工假頂(6)和氣密性人工假底(7)包括氣密混凝土、混凝土加瀝青基氣密充填料的復(fù)合結(jié)構(gòu)、混凝土加礦用充填密閉材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

說(shuō)明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，屬于金屬礦山的二氧化碳封存領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，二氧化碳地質(zhì)利用與封存的主要場(chǎng)所為深部咸水層和油氣田；其中，油氣田主要開展驅(qū)油/氣增采，封存量較小；深部咸水層的封存潛力大，但有效CO 2封存空間也僅為2-3％，而且井建施工耗資巨大。到2050年，CO 2封存能力將需要從約4000萬(wàn)公噸/年增加到超過(guò)56億公噸/年，依靠深部咸水層、油氣田等常規(guī)地質(zhì)資源，可能需要近1.3萬(wàn)億美元的資本投入。這給尋找低成本、大規(guī)模的CO 2封存場(chǎng)地提出了挑戰(zhàn)，也創(chuàng)造了新機(jī)遇。

至2015年底我國(guó)金屬非金屬(非煤)地下礦山共有采空區(qū)12.8億m 3，2020年廢棄煤礦地下空間資源約72億m 3。充分利用礦山采空區(qū)資源為CO 2地下封存服務(wù)，有望大大提高CO 2封存能力、降低封存成本。由于煤層對(duì)CO 2具有一定吸附能力，且CO 2具有驅(qū)替、增采煤層氣的作用，采空區(qū)碳封存在煤礦開采領(lǐng)域被大量研究，如在多孔介質(zhì)充填的采空區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)二氧化碳?xì)怏w的方法，公開號(hào)CN110344877A)、一種利用煤礦廢棄礦井采空區(qū)封存CO 2的方法，公開號(hào)CN109812293A、一種無(wú)隔離煤柱充填開采與構(gòu)建采空區(qū)儲(chǔ)庫(kù)的方法，公開號(hào)CN114412464A、礦化利用CO 2廢氣生態(tài)保護(hù)性采煤方法，公開號(hào)CN113622993A；然而依靠煤層吸附作用可封存的CO 2含量少，且煤礦圍巖較為破碎，大量空區(qū)在開采后坍塌，采空區(qū)封堵難度大，容易造成CO 2泄露。金屬礦圍巖穩(wěn)定性普遍比煤礦高，且尾砂膠結(jié)充填采礦法兼具采空區(qū)治理、地壓控制、地表沉陷控制、尾砂處置的作用，在金屬礦山得到廣泛應(yīng)用。這為在地下金屬礦開展采空區(qū)局部充填碳封存創(chuàng)造了良好條件。

尾砂膠結(jié)充填體，是一種由水、水泥、尾砂和添加劑混合的具有一定流動(dòng)性的料漿，輸送至采空區(qū)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間水化反應(yīng)，固結(jié)成具有一定強(qiáng)度的人工介質(zhì)體。充填體的主要成分為水化產(chǎn)物和尾砂礦物，無(wú)地下水侵蝕環(huán)境下，CO 2與水化產(chǎn)物發(fā)生如式1所示的反應(yīng)，CO 2與基性尾砂礦物發(fā)生如式2所示的反應(yīng)，均可生成高強(qiáng)度的CaCO 3和具有膠凝作用的硅膠SiO 2·nH 2O，從而降低充填體孔隙度，提高充填體整體強(qiáng)度，并可逐漸增強(qiáng)充填體密封性。

(Ca,Mg) xSi yO x+2y+zH 2z(s)+xCO 2(g)→x(Ca,Mg)CO 3(s)+ySiO 2·zH 2O(am)

一種尾砂碳化膠結(jié)充填的方法(授權(quán)公告號(hào)CN113213829B)利用CO 2與充填體的反應(yīng)機(jī)制，提出在充填體內(nèi)埋設(shè)管道通入CO 2礦化養(yǎng)護(hù)充填體的方法，但是該方法并不提供CO 2封存空間，單純依靠礦化固碳在短時(shí)間可封存的CO 2量少，減排效率低。

此外，多孔介質(zhì)充填的采空區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)二氧化碳?xì)怏w的方法(授權(quán)公告號(hào)CN110344877B)、一種利用煤礦廢棄礦井采空區(qū)封存CO 2的方法(公開號(hào)CN109812293A未授權(quán))、一種無(wú)隔離煤柱充填開采與構(gòu)建采空區(qū)儲(chǔ)庫(kù)的方法(公開號(hào)CN114412464A未授權(quán))和礦化利用CO 2廢氣生態(tài)保護(hù)性采煤方法(公開號(hào)CN113622993A未授權(quán))等一系列專利，盡管都提出了預(yù)留空區(qū)的方法，但都是針對(duì)煤礦這類薄層水平(或緩傾斜)礦體，金屬礦床一般為急傾斜，在深度方向延伸大，采礦方法與煤礦開采差異大。而且，多孔介質(zhì)充填的采空區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)二氧化碳?xì)怏w的方法(授權(quán)公告號(hào)CN110344877B)采用模具澆筑多孔介質(zhì)充填體再砌筑充填條帶的工藝流程無(wú)法通過(guò)現(xiàn)行充填系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，以上發(fā)明并不適用于金屬礦采空區(qū)碳封存。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)合碳減排、采空區(qū)充填治理的安全、低成本的尾砂膠結(jié)局部充填采空區(qū)碳封存方法，利用尾砂膠結(jié)充填體局部充填采空區(qū)在地下金屬礦構(gòu)建CO 2長(zhǎng)期封存場(chǎng)所，同時(shí)利用CO 2與尾砂膠結(jié)充填體反應(yīng)，將CO 2永久固定在充填體中，降低大氣碳排量，還能提高充填體強(qiáng)度，維持地下空間穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明與金屬礦開采普遍采用的分層進(jìn)路充填采礦方法結(jié)合，無(wú)需改變礦山原有的充填系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)，額外成本支出少。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，步驟如下：

在分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦基礎(chǔ)上，利用氣密材料在金屬礦的礦體邊界建設(shè)密封層封閉整個(gè)采空區(qū)，利用邊幫高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體、人工假頂或人工假底以及采空區(qū)內(nèi)間隔充填的尾砂膠結(jié)充填體支撐采空區(qū)整體框架，根據(jù)實(shí)地情況在采空區(qū)預(yù)留CO 2封存空區(qū)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)，碳封存初期利用管路向CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)充入CO 2，依靠礦體邊界上的氣密材料把CO 2密封在采空區(qū)內(nèi)，隨著空區(qū)內(nèi)封存的CO 2擴(kuò)散進(jìn)入尾砂膠結(jié)充填體，與尾砂膠結(jié)充填體中的基性尾砂和水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，消耗CO 2的同時(shí)生成高強(qiáng)度的碳酸鈣CaCO 3和具有膠凝作用的硅膠SiO 2·nH 2O，從而提高尾砂膠結(jié)充填體整體強(qiáng)度和氣密性，降低尾砂膠結(jié)充填體孔隙度，實(shí)現(xiàn)大量、長(zhǎng)期且安全的碳封存；

具體步驟如下：

步驟1.按回字形開采當(dāng)前分層礦體邊幫，利用氣密材料封閉除聯(lián)絡(luò)巷外的邊幫，留采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷以及分層聯(lián)絡(luò)巷服務(wù)當(dāng)前開采的分層；

步驟2.用分層進(jìn)路充填法開采除邊幫外的內(nèi)部礦體，若采用下向分層進(jìn)路充填采礦法開采礦體，使用尾砂膠結(jié)充填體間隔充填采空的進(jìn)路，預(yù)留出CO 2封存空區(qū)，若采用上向分層進(jìn)路充填采礦法，則使用尾砂膠結(jié)充填體和廢石間隔充填采空的進(jìn)路形成CO 2封存廢石充填區(qū)；

步驟3.當(dāng)前分層作業(yè)結(jié)束后，在采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷和分層聯(lián)絡(luò)巷架設(shè)由CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)至分段運(yùn)輸巷的CO 2管道，然后使用氣密材料封閉采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷和分層聯(lián)絡(luò)巷；

步驟4.按分層開采順序，逐層重復(fù)步驟1–3，直至當(dāng)前中段作業(yè)結(jié)束，將捕集的CO 2通過(guò)沿回風(fēng)路徑布置的CO 2管道注入CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)，同時(shí)開采作業(yè)轉(zhuǎn)移至下一中段，隨采深和地溫增大，CO 2以氣態(tài)至超臨界態(tài)長(zhǎng)期封存。

進(jìn)一步，開采過(guò)程中對(duì)礦體中段、分段、分層的劃分，以及沿礦體深度方向的開采及充填順序與分層進(jìn)路充填采礦法完全一致；每分層的進(jìn)路劃分為圍巖和礦體邊界上的邊幫進(jìn)路和礦體內(nèi)部進(jìn)路，每分層進(jìn)路的作業(yè)方式為，按回字形順序開采及封閉邊幫，依從由礦體兩幫進(jìn)路向礦體中間進(jìn)路逐漸推進(jìn)的原則開采及充填內(nèi)部進(jìn)路，若遇上需要預(yù)留CO 2封存空區(qū)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)的進(jìn)路，則先跳過(guò)該進(jìn)路，開采及充填下一條進(jìn)路，當(dāng)需要預(yù)留CO 2封存空區(qū)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)的進(jìn)路的兩側(cè)進(jìn)路均充填后，再開采該進(jìn)路，然后留空或者廢石充填形成CO 2封存空區(qū)或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)。

進(jìn)一步，用氣密材料封閉除聯(lián)絡(luò)巷外的邊幫的方法如下：對(duì)邊幫進(jìn)路靠圍巖側(cè)的外側(cè)采用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體充填，邊幫進(jìn)路靠礦體的內(nèi)側(cè)采用氣密材料充填，并在氣密材料和內(nèi)部未開采礦塊間保留1/10邊幫進(jìn)路寬度作為崩礦沖擊的隔離空間，保護(hù)兩幫充填體和密封材料；用氣密材料封閉邊幫聯(lián)絡(luò)巷的方法如下：對(duì)分層聯(lián)絡(luò)巷靠礦體側(cè)的內(nèi)側(cè)采用氣密材料充填，對(duì)分層聯(lián)絡(luò)巷靠圍巖側(cè)的外側(cè)用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體充填，采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷全部用尾砂膠結(jié)充填體充填。

進(jìn)一步，礦體頂部分層和底部分層需分別設(shè)置氣密性人工假頂和氣密性人工假底，當(dāng)選擇采用下向分層進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，需要在每個(gè)中段頂部設(shè)置氣密性人工假頂，若選擇采用上向分層進(jìn)路充填法進(jìn)行開采，需要在每個(gè)中段底部設(shè)置氣密性人工假底，通過(guò)氣密性人工假頂和氣密性人工假底，結(jié)合邊幫氣密材料及高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體，形成以中段為單位的穩(wěn)定的碳封存單元結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，捕集的CO 2來(lái)自礦企選冶廠，或電力、水泥、鋼鐵、化工四大排放源；捕集的CO 2通過(guò)設(shè)置在回風(fēng)井附近的地表CO 2泵站，經(jīng)管道沿回風(fēng)井、回風(fēng)巷接入分段運(yùn)輸巷和采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷交匯處的CO 2管道，將CO 2注入空區(qū)或廢石充填區(qū)，避免CO 2管道泄露污染鮮新風(fēng)流。

進(jìn)一步，CO 2管道的CO 2輸送壓力控制在維持邊幫氣密材料及高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體穩(wěn)定、同時(shí)局部撕裂CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)周邊尾砂膠結(jié)充填體的水平，其中，氣態(tài)CO 2壓力可低至1MPa以下，適合開采初期，礦體埋深小于100m、地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度較低的采空區(qū)，隨著采深、地應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度增大，可逐漸提高充入的CO 2壓力，當(dāng)采空區(qū)所在地層地溫大于31℃、采深大于800m，考慮以超臨界態(tài)封存CO 2。

進(jìn)一步，在采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷和分段運(yùn)輸巷交匯點(diǎn)附近的CO 2管道上設(shè)有CO 2壓力傳感器、氣密閥和法蘭接口；當(dāng)CO 2注入作業(yè)結(jié)束后，關(guān)閉氣密閥，松開法蘭接口，再用法蘭封閉接口堵住與CO 2封存區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)聯(lián)通的管道，將當(dāng)前分段運(yùn)輸巷上的CO 2管道回收在下一分段運(yùn)輸巷上重復(fù)利用，由地表CO 2泵站至當(dāng)前分段其余CO 2管道保持不動(dòng)，往下延伸至下一分段；CO 2壓力傳感器在封存期間監(jiān)測(cè)CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)內(nèi)的CO 2壓力變化。

進(jìn)一步，礦體邊幫附近的圍巖中每間隔一個(gè)分段高度距離設(shè)置一個(gè)CO 2濃度傳感器，用于CO 2泄露預(yù)警；若封存期間無(wú)明顯CO 2泄露，且檢測(cè)CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)的CO 2壓力傳感器讀數(shù)緩慢下降，則說(shuō)明CO 2與充填體發(fā)生礦化反應(yīng)，當(dāng)CO 2壓力降至設(shè)定壓力的75％，可利用氣密閥和法蘭接口，重新接入CO 2氣源，為CO 2封存空區(qū)或CO 2封存廢石充填區(qū)補(bǔ)壓。

進(jìn)一步，尾砂膠結(jié)充填體使用的尾砂膠結(jié)充填料漿包括礦山尾砂、波特蘭水泥或摻粉煤灰、鋼渣復(fù)合硅酸鹽水泥、水、添加劑，充填料漿濃度大于70％，3d強(qiáng)度大于1MPa；下向分層充填法中使用的尾砂膠結(jié)充填體中灰砂質(zhì)量比大于1：6，28d強(qiáng)度大于3.5MPa；上向分層充填法的尾砂膠結(jié)充填體中灰砂質(zhì)量比大于1：8，28d強(qiáng)度大于2MPa；充填邊幫進(jìn)路及分層聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)的高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體中灰砂質(zhì)量比大于1：4，28d強(qiáng)度大于5MPa。

進(jìn)一步，所述的氣密材料包括氣密混凝土、瀝青基氣密充填料、礦用充填密閉材料；所述的氣密性人工假頂和氣密性人工假底包括氣密混凝土、混凝土加瀝青基氣密充填料的復(fù)合結(jié)構(gòu)、混凝土加礦用充填密閉材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

有益效果：

本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，1)利用尾砂膠結(jié)充填體局部充填采空區(qū)在地下金屬礦構(gòu)建CO 2封存場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)CO 2高效、大規(guī)模、長(zhǎng)期物理封存；2)利用CO 2與尾砂膠結(jié)充填體反應(yīng)，將CO 2固定在充填體中，實(shí)現(xiàn)CO 2永久、穩(wěn)定化學(xué)封存；3)利用CO 2與尾砂膠結(jié)充填體反應(yīng)，逐漸降低充填體孔隙度、提高充填體強(qiáng)度，保障地下空間穩(wěn)定性和封存結(jié)構(gòu)封閉性；4)與金屬礦開采普遍采用的分層進(jìn)路充填采礦方法結(jié)合，無(wú)需改變礦山原有的充填系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)，額外成本支出少。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為下向分層充填采礦采空區(qū)碳封存沿礦體走向平面示意圖；

圖1(b)為下向分層充填采礦采空區(qū)碳封存的沿礦體厚度剖面示意圖；

圖2(a)為圖1(b)的D1-D1剖面區(qū)域利用本發(fā)明基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法的碳封存開采及充填順序示意圖；

圖2(b)為圖1(b)的E1-E1剖面區(qū)域利用本發(fā)明基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法的碳封存開采及充填順序示意圖；

圖3(a)為上向分層充填采礦采空區(qū)碳封存沿礦體走向平面示意圖；

圖3(b)為上向分層充填采礦采空區(qū)碳封存的沿礦體厚度剖面示意圖；

圖4(a)為圖3(b)的D2-D2剖面區(qū)域利用本發(fā)明基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法的碳封存開采及充填順序示意圖；

圖4(b)為圖3(b)的E2-E2剖面區(qū)域利用本發(fā)明基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法的碳封存開采及充填順序示意圖；

圖中：1、氣密材料；2、CO 2封存空區(qū)；3、CO 2封存廢石充填區(qū)；4、尾砂膠結(jié)充填體；5、高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體；6、氣密性人工假頂；7、氣密性人工假底；8、分段運(yùn)輸巷；9、CO 2管道；10、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷；11、分層聯(lián)絡(luò)巷；12、礦體。

具體實(shí)施方式

為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明所采用的技術(shù)手段和方法，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，在分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦基礎(chǔ)上，利用氣密材料1在金屬礦的礦體12邊界建設(shè)密封層封閉整個(gè)采空區(qū)，利用邊幫高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體5、人工假頂6或人工假底7以及采空區(qū)內(nèi)間隔充填的尾砂膠結(jié)充填體4支撐采空區(qū)整體框架，根據(jù)實(shí)地情況在采空區(qū)預(yù)留CO 2封存空區(qū)2或高孔隙度的CO 2封存廢石充填區(qū)3，碳封存初期利用管路向CO 2封存空區(qū)2或CO 2封存廢石充填區(qū)3充入CO 2，依靠礦體12邊界上的氣密材料1把CO 2密封在采空區(qū)內(nèi)，隨著空區(qū)內(nèi)封存的CO 2擴(kuò)散進(jìn)入尾砂膠結(jié)充填體4，與尾砂膠結(jié)充填體4中的基性尾砂和水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，消耗CO 2的同時(shí)生成高強(qiáng)度的碳酸鈣CaCO 3和具有膠凝作用的硅膠SiO 2·nH 2O，從而提高尾砂膠結(jié)充填體4整體強(qiáng)度和氣密性，降低尾砂膠結(jié)充填體4孔隙度，實(shí)現(xiàn)大量、長(zhǎng)期且安全的碳封存；

實(shí)施例一

一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，與下向分層充填采礦法結(jié)合時(shí)，具體步驟及參數(shù)如下：

礦塊劃分如圖1(a)和圖1(b)所示，進(jìn)路寬4m，分層高3m，每分段三個(gè)分層，高9m，每中段三個(gè)分段，高27m。尾砂膠結(jié)充填體灰砂比1：6，充填料漿濃度75％，充填體3d強(qiáng)度1.5MPa，28d強(qiáng)度3.5MPa。高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體灰砂比1：4，充填料漿濃度75％，充填體3d強(qiáng)度2.5MPa，28d強(qiáng)度5MPa。每中段頂部采用氣密混凝土構(gòu)筑氣密性人工假頂6，此外，礦體頂部分層和底部分層靠近礦體的內(nèi)側(cè)采用氣密混凝土分別構(gòu)筑氣密性人工假頂6和氣密性人工假底7，邊幫也采用氣密混凝土作為氣密充填料1。

如圖2(a)和圖2(b)所示，步驟1.首先采掘采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷10，沿采場(chǎng)邊幫按回字形依次采掘分層聯(lián)絡(luò)巷、兩幫進(jìn)路和平行于分層聯(lián)絡(luò)巷的邊幫進(jìn)路，然后依次充填平行于分層聯(lián)絡(luò)巷的邊幫進(jìn)路和兩幫進(jìn)路，留采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷以及分層聯(lián)絡(luò)巷服務(wù)當(dāng)前分層，圖中C0-C11為采場(chǎng)開采順序；F0-F11為采場(chǎng)充填順序，施工順序?yàn)镃0→C1→C2→C3→F0→F1，其中，邊幫進(jìn)路外側(cè)采用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體5充填，邊幫進(jìn)路內(nèi)側(cè)采用氣密混凝土1充填；

步驟2.用下向分層進(jìn)路法開采及充填內(nèi)部礦體，用尾砂膠結(jié)充填體4間隔充填留空區(qū)2，D1–D1型分層開采及充填順序?yàn)椋篊4→F2→C5→F3→C6→C7→F4→C8→F5→C9→F6→C10→C11→F7，具體見圖2(a)；E1–E1型分層開采及充填順序?yàn)椋篊4→F2→C5→F3→C6→F4→C7→F5→C8→C9→F6→C10→F7→C11，具體見圖2(b)；

步驟3.當(dāng)前分層作業(yè)結(jié)束，在聯(lián)絡(luò)巷架設(shè)由采空區(qū)2至分段運(yùn)輸巷8的CO 2管道9，首先用氣密混凝土1充填分層聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)側(cè)，其次用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體5充填分層聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)和采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷10，即充填順序?yàn)镕8→F9，具體見圖2；

步驟4.當(dāng)前中段作業(yè)結(jié)束，將礦山選冶廠捕集的CO 2通過(guò)管道9沿礦井回風(fēng)路徑經(jīng)回風(fēng)井、回風(fēng)巷、分段運(yùn)輸巷8、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷10注入采空區(qū)2，采深-100m水平的空區(qū)內(nèi)CO 2壓力為1MPa，采深每下降50m約兩個(gè)中段高度，CO 2壓力提升0.5MPa。

實(shí)施例二

一種基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法，與上向分層充填采礦法結(jié)合時(shí)，具體步驟及參數(shù)如下：

礦塊劃分如圖3(a)和圖3(b)所示，進(jìn)路寬4m，分層高3m，每分段三個(gè)分層，高9m，每中段三個(gè)分段，高27m。尾砂膠結(jié)充填體灰砂比1：8，充填料漿濃度75％，充填體3d強(qiáng)度1.2MPa，28d強(qiáng)度2MPa。高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體灰砂比1：4，充填料漿濃度75％，充填體3d強(qiáng)度2.5MPa，28d強(qiáng)度5MPa。廢石充填區(qū)的廢石充填率為40％–50％，即廢石充填區(qū)留50％–60％的空間用于碳封存。每中段底部采用氣密性混凝土構(gòu)筑氣密性人工假底7，此外，礦體頂部分層和底部分層靠近礦體的內(nèi)襯采用氣密性混凝土分別構(gòu)筑氣密性人工假頂6和氣密性人工假底7，邊幫也采用氣密混凝土作為氣密充填料1。

如圖4(a)和圖4(b)所示，步驟1.首先采掘采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷10，沿采場(chǎng)邊幫按回字形依次采掘分層聯(lián)絡(luò)巷、兩幫進(jìn)路和平行于分層聯(lián)絡(luò)巷的邊幫進(jìn)路，然后依次充填平行于分層聯(lián)絡(luò)巷的邊幫進(jìn)路和兩幫進(jìn)路，留采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷以及分層聯(lián)絡(luò)巷服務(wù)當(dāng)前分層，圖中C0-C11為采場(chǎng)開采順序；F0-F11為采場(chǎng)充填順序，施工順序?yàn)镃0→C1→C2→C3→F0→F1，其中，邊幫進(jìn)路外側(cè)采用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體5充填，邊幫進(jìn)路內(nèi)側(cè)采用氣密混凝土1充填；

步驟2.用上向分層進(jìn)路法開采及充填內(nèi)部礦體，用尾砂膠結(jié)充填體4和廢石間隔充填，D2–D2型分層和E2–E2型分層進(jìn)路采場(chǎng)開采及充填順序均為C4→F2→C5→F3→C6→F4→C7→F5→C8→F6→C9→F7→C10→F8→C11→F9，具體見圖4(a)和圖4(b)；

步驟3.當(dāng)前分層作業(yè)結(jié)束，在聯(lián)絡(luò)巷架設(shè)由廢石充填區(qū)3至分段運(yùn)輸巷8的CO 2管道9，首先用氣密混凝土1充填分層聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)側(cè)，其次用高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體5充填分層聯(lián)絡(luò)巷外側(cè)和采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷10，即充填順序?yàn)镕10→F11，具體見圖4(a)和圖4(b)；

步驟4.當(dāng)前中段作業(yè)結(jié)束，將礦山選冶廠捕集的CO 2通過(guò)管道9沿礦井回風(fēng)路徑經(jīng)回風(fēng)井、回風(fēng)巷、分段運(yùn)輸巷8、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷10注入廢石充填區(qū)3，采深-100m水平的空區(qū)內(nèi)CO 2壓力為1MPa，采深每下降50m約兩個(gè)中段高度，CO 2壓力提升0.5MPa。

基于分層進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦的采空區(qū)碳封存方法.pdf